Hatur nuhun parantos nganjang ka Nature.com. Versi browser anu anjeun anggo gaduh dukungan CSS anu terbatas. Pikeun pangalaman anu pangsaéna, kami nyarankeun anjeun nganggo browser anu diénggalan (atanapi mareuman modeu kompatibilitas dina Internet Explorer). Samentawis waktos, pikeun mastikeun dukungan anu terus-terusan, kami bakal nampilkeun situs tanpa gaya sareng JavaScript.
Manufaktur aditif ngarobih cara para panalungtik sareng industrialis ngarancang sareng ngadamel alat kimia pikeun minuhan kabutuhan khususna. Dina karya ieu, kami ngalaporkeun conto munggaran réaktor aliran anu dibentuk ku téknik laminasi lambaran logam padet Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM) kalayan bagian katalitik sareng unsur sensing anu terintegrasi langsung. Téknologi UAM henteu ngan ukur ngungkulan seueur watesan anu ayeuna aya hubunganana sareng manufaktur aditif réaktor kimia, tapi ogé ningkatkeun kamampuan alat sapertos kitu sacara signifikan. Sarangkaian sanyawa 1,2,3-triazol 1,4-disubstitusi anu penting sacara biologis hasil disintésis sareng dioptimalkeun ku réaksi sikloadisi Huisgen 1,3-dipolar anu dimediasi Cu nganggo setelan kimia UAM. Ku cara ngamangpaatkeun sipat unik UAM sareng pamrosésan aliran kontinyu, alat ieu tiasa ngatalisis réaksi anu lumangsung bari ogé nyayogikeun eupan balik waktos nyata pikeun ngawaskeun sareng optimasi réaksi.
Kusabab kaunggulanana anu signifikan dibandingkeun sareng kimia bulk-na, kimia aliran mangrupikeun widang anu penting sareng terus berkembang dina setélan akademik sareng industri kusabab kamampuanna pikeun ningkatkeun selektivitas sareng efisiensi sintésis kimia. Ieu manjang ti formasi molekul organik saderhana1 dugi ka sanyawa farmasi2,3 sareng produk alami4,5,6. Langkung ti 50% réaksi dina industri kimia sareng farmasi anu saé tiasa nguntungkeun tina panggunaan pamrosésan aliran kontinyu7.
Dina sababaraha taun ka pengker, aya tren anu ningkat dina kelompok anu milarian pikeun ngagentos barang pecah belah atanapi alat kimia aliran tradisional ku "wadah réaksi" kimia manufaktur aditif (AM) anu tiasa disaluyukeun. Desain iteratif, produksi anu gancang, sareng kamampuan 3 diménsi (3D) tina téknik ieu mangpaat pikeun anu hoyong ngaropea alatna kana sakumpulan réaksi, alat, atanapi kaayaan anu khusus. Nepi ka ayeuna, karya ieu ampir sacara éksklusif museur kana panggunaan téknik percetakan 3D berbasis polimér sapertos stereolitografi (SL)9,10,11, pemodelan déposisi leburan (FDM)8,12,13,14 sareng percetakan inkjet7, 15, 16. Kurangna kakuatan sareng kamampuan alat sapertos kitu pikeun ngalakukeun rupa-rupa réaksi/analisis kimia17, 18, 19, 20 mangrupikeun faktor pangwates utama pikeun implementasi AM anu langkung lega dina widang ieu17, 18, 19, 20.
Kusabab ningkatna panggunaan kimia aliran sareng sipat-sipat anu nguntungkeun anu aya hubunganana sareng AM, aya kabutuhan pikeun ngajalajah téknik anu langkung canggih anu ngamungkinkeun pangguna pikeun ngadamel wadah réaksi aliran kalayan kamampuan kimia sareng analitis anu ditingkatkeun. Téhnik ieu kedah ngamungkinkeun pangguna milih tina rupa-rupa bahan anu kuat atanapi fungsional anu sanggup nanganan rupa-rupa kaayaan réaksi, bari ogé ngagampangkeun rupa-rupa bentuk kaluaran analitis tina alat pikeun ngamungkinkeun pangawasan sareng kontrol réaksi.
Salah sahiji prosés manufaktur aditif anu gaduh poténsi pikeun ngembangkeun réaktor kimia khusus nyaéta Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM). Téhnik laminasi lambaran solid-state ieu nerapkeun osilasi ultrasonik kana foil logam ipis pikeun ngahijikeunana lapisan demi lapisan kalayan pemanasan massal minimal sareng tingkat aliran plastik anu luhur 21, 22, 23. Teu sapertos kalolobaan téknologi AM anu sanés, UAM tiasa langsung diintegrasikeun sareng manufaktur subtraktif, anu dikenal salaku prosés manufaktur hibrida, dimana panggilingan kontrol numerik komputer périodik (CNC) in-situ atanapi mesin laser ngahartikeun bentuk bersih tina lapisan bahan anu kabeungkeut 24, 25. Ieu ngandung harti yén pangguna henteu diwatesan ku masalah anu aya hubunganana sareng miceun bahan baku sésa tina saluran cairan alit, anu sering kajantenan sareng sistem AM bubuk sareng cair 26,27,28. Kabébasan desain ieu ogé ngalegaan kana pilihan bahan anu sayogi - UAM tiasa ngabeungkeut kombinasi bahan anu sami sareng béda sacara termal dina hiji léngkah prosés. Pilihan kombinasi bahan saluareun prosés lebur hartosna paménta mékanis sareng kimia tina aplikasi khusus tiasa langkung dicumponan. Salian ti beungkeutan solid state, fénoména sanés Anu kapanggih nalika beungkeutan ultrasonik nyaéta aliran bahan plastik anu luhur dina suhu anu relatif handap29,30,31,32,33. Fitur unik UAM ieu tiasa ngagampangkeun panyematan unsur mékanis/termal antara lapisan logam tanpa karusakan. Sénsor anu disematkeun dina UAM tiasa ngagampangkeun pangiriman inpormasi sacara real-time ti alat ka pangguna ngalangkungan analitik anu terintegrasi.
Karya pangarang anu kapungkur32 nunjukkeun kamampuan prosés UAM pikeun nyiptakeun struktur mikrofluida 3D logam kalayan kamampuan sensing anu terintegrasi. Ieu mangrupikeun alat anu ngan ukur pikeun ngawaskeun. Makalah ieu nampilkeun conto munggaran réaktor kimia mikrofluida anu didamel ku UAM; alat aktif anu henteu ngan ukur ngawas tapi ogé ngainduksi sintésis kimia ngalangkungan bahan katalis anu terintegrasi sacara struktural. Alat ieu ngagabungkeun sababaraha kaunggulan anu aya hubunganana sareng téknologi UAM dina manufaktur alat kimia 3D, sapertos: kamampuan pikeun ngarobih desain 3D lengkep langsung tina modél desain anu dibantuan komputer (CAD) kana produk; fabrikasi multi-bahan pikeun ngagabungkeun konduktivitas termal anu luhur sareng bahan katalitik; sareng nyematkeun sénsor termal langsung antara aliran réagen pikeun ngawaskeun sareng ngontrol suhu réaksi anu tepat. Pikeun nunjukkeun fungsi réaktor, perpustakaan sanyawa 1,2,3-triazol 1,4-disubstitusi anu penting sacara farmasi disintésis ku sikloadisi Huisgen 1,3-dipolar anu dikatalisis ku tambaga. Karya ieu nyorot kumaha panggunaan élmu bahan sareng desain anu dibantuan komputer tiasa muka kasempetan sareng kamungkinan énggal pikeun kimia ngalangkungan panalungtikan multidisiplin.
Sadaya pangleyur sareng réagen dipésér ti Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI atanapi Fischer Scientific sareng dianggo tanpa dimurnikeun sateuacanna. Spéktra 1H sareng 13C NMR anu dirékam dina 400 MHz sareng 100 MHz, masing-masing, diala nganggo spéktrométer JEOL ECS-400 400 MHz atanapi spéktrométer Bruker Avance II 400 MHz sareng CDCl3 atanapi (CD3)2SO4 salaku pangleyur. Sadaya réaksi dilaksanakeun nganggo platform kimia aliran Uniqsis FlowSyn.
UAM dianggo pikeun ngadamel sadaya alat dina panilitian ieu. Téhnologi ieu diciptakeun dina taun 1999, sareng detil téknisna, parameter operasi sareng pamekaran saprak panemuanna tiasa di diajar ngalangkungan bahan anu diterbitkeun ieu34,35,36,37. Alat (Gambar 1) diimplementasikeun nganggo sistem UAM 9kW SonicLayer 4000® anu kakuatanna ultra-luhur (Fabrisonic, OH, USA). Bahan anu dipilih pikeun fabrikasi alat aliran nyaéta Cu-110 sareng Al 6061. Cu-110 ngagaduhan kandungan tambaga anu luhur (minimal 99,9% tambaga), jantenkeun calon anu saé pikeun réaksi anu dikatalisis tambaga, sareng ku kituna dianggo salaku "lapisan aktif dina mikroreaktor. Al 6061 O dianggo salaku bahan "massal", ogé lapisan Embedding anu dianggo pikeun analisis; paduan komponén bantu embedding sareng kaayaan annealed digabungkeun sareng lapisan Cu-110. Al 6061 O mangrupikeun bahan anu parantos kabuktosan cocog pisan sareng prosés UAM38, 39, 40, 41 sareng parantos diuji sareng kapendak stabil sacara kimiawi sareng réagen anu dianggo dina ieu panilitian. Kombinasi Al 6061 O sareng Cu-110 ogé dianggap kombinasi bahan anu cocog pikeun UAM sareng ku kituna mangrupikeun bahan anu cocog pikeun panilitian ieu. 38,42 Alat-alat ieu didaptarkeun dina Tabel 1 di handap.
Tahapan fabrikasi réaktor (1) Substrat Al 6061 (2) Fabrikasi saluran handap anu dipasang dina foil tambaga (3) Pamasangan termokopel antara lapisan (4) Saluran luhur (5) Asupan sareng kaluaran (6) Réaktor monolitik.
Filosofi desain jalur cairan nyaéta ngagunakeun jalur anu rumit pikeun ningkatkeun jarak perjalanan cairan dina chip, bari ngajaga chip dina ukuran anu tiasa diatur. Peningkatan jarak ieu dipikahoyong pikeun ningkatkeun waktos interaksi katalis/réagen sareng nyayogikeun hasil produk anu saé. Chip nganggo tikungan 90° di tungtung jalur lempeng pikeun ngainduksi pencampuran turbulen dina alat44 sareng ningkatkeun waktos kontak cairan sareng permukaan (katalis). Pikeun ningkatkeun deui pencampuran anu tiasa kahontal, desain réaktor nampilkeun dua saluran masuk réagen anu digabungkeun dina simpang-Y sateuacan lebet kana bagian pencampuran serpentin. Saluran masuk katilu, anu meuntas aliran satengah jalan ngaliwatan tempatna, kalebet dina desain sintésis réaksi multistep ka hareup.
Sadaya saluran gaduh profil pasagi (henteu aya sudut draf), hasil tina panggilingan CNC périodik anu dianggo pikeun nyiptakeun géométri saluran. Diménsi saluran dipilih pikeun mastikeun kaluaran volume anu luhur (pikeun mikroreaktor), bari cukup alit pikeun ngagampangkeun interaksi permukaan (katalis) pikeun kaseueuran cairan anu aya. Ukuran anu pas dumasar kana pangalaman pangarang anu kapungkur sareng alat logam-fluida pikeun réaksi. Diménsi internal saluran ahir nyaéta 750 µm x 750 µm sareng total volume réaktor nyaéta 1 ml. Konektor terpadu (1/4″—28 benang UNF) kalebet dina desain pikeun ngamungkinkeun antarmuka alat anu saderhana sareng alat kimia aliran komérsial. Ukuran saluran diwatesan ku ketebalan bahan foil, sipat mékanisna, sareng parameter beungkeutan anu dianggo sareng ultrasonik. Dina lébar khusus pikeun bahan anu dipasihkeun, bahan bakal "ngaleutikan" kana saluran anu didamel. Ayeuna teu aya modél khusus pikeun itungan ieu, janten lébar saluran maksimum pikeun bahan sareng desain anu dipasihkeun ditangtukeun sacara ékspériméntal; dina hal ieu, lébar 750 μm moal nyababkeun kendur.
Bentuk (pasagi) saluran ditangtukeun ku cara ngagunakeun pamotong pasagi. Bentuk sareng ukuran saluran tiasa dirobih ku mesin CNC nganggo alat motong anu béda pikeun kéngingkeun laju aliran sareng karakteristik anu béda. Conto nyiptakeun saluran bentuk melengkung nganggo alat 125 μm tiasa dipendakan dina karya Monaghan45. Nalika lapisan foil disimpen dina mode planar, lapisan bahan foil di luhur saluran bakal ngagaduhan hasil akhir anu datar (pasagi). Dina karya ieu, pikeun ngajaga simétri saluran, garis luar pasagi dianggo.
Salila jeda anu tos diprogram sateuacanna dina manufaktur, probe suhu termokopel (Tipe K) dipasang langsung dina alat antara grup saluran luhur sareng handap (Gambar 1 - Tahap 3). Termokopel ieu tiasa ngawas parobahan suhu ti −200 dugi ka 1350 °C.
Prosés déposisi logam dilakukeun ku tanduk UAM nganggo foil logam anu rubakna 25,4 mm, kandelna 150 mikron. Lapisan foil ieu dihijikeun kana runtuyan strip anu padeukeut pikeun nutupan sakumna daérah wangunan; ukuran bahan anu disimpen langkung ageung tibatan produk ahir sabab prosés subtraktif ngahasilkeun bentuk bersih ahir. Mesin CNC dianggo pikeun mesin kontur éksternal sareng internal alat, ngahasilkeun permukaan alat sareng saluran anu sami sareng alat anu dipilih sareng parameter prosés CNC (sakitar 1,6 μm Ra dina conto ieu). Siklus déposisi sareng mesin bahan ultrasonik anu terus-terusan sareng kontinyu dianggo sapanjang prosés manufaktur alat pikeun mastikeun akurasi diménsi dijaga sareng bagian anu réngsé bakal nyumponan tingkat akurasi panggilingan CNC. Lebar saluran anu dianggo pikeun alat ieu cukup alit pikeun mastikeun yén bahan foil henteu "ngaleutikan" kana saluran cairan, janten saluran ngajaga penampang pasagi. Celah anu mungkin dina bahan foil sareng parameter prosés UAM ditangtukeun sacara ékspériméntal ku mitra manufaktur (Fabrisonic LLC, USA).
Panilitian nunjukkeun yén difusi unsur saeutik pisan anu lumangsung dina antarmuka beungkeutan UAM 46, 47 tanpa perlakuan termal tambahan, janten pikeun alat-alat dina ieu panilitian, lapisan Cu-110 tetep béda ti lapisan Al 6061 sareng robih sacara ujug-ujug.
Pasang regulator tekanan balik (BPR) 250 psi (1724 kPa) anu tos dikalibrasi sateuacanna kana outlet réaktor sareng pompa cai ngalangkungan réaktor dina laju 0,1 dugi ka 1 mL min-1. Tekanan réaktor diawasi nganggo sénsor tekanan sistem bawaan FlowSyn pikeun mastikeun yén sistem tiasa ngajaga tekanan anu tetep. Gradien suhu poténsial di sakuliah réaktor aliran diuji ku cara ngaidentipikasi bédana antara termokopel anu dipasang dina réaktor sareng anu dipasang dina pelat pemanas chip FlowSyn. Ieu kahontal ku cara ngarobih suhu hotplate anu tiasa diprogram antara 100 sareng 150 °C dina paningkatan 25 °C sareng nyatet bédana antara suhu anu diprogram sareng anu dirékam. Ieu kahontal nganggo data logger tc-08 (PicoTech, Cambridge, Inggris) sareng parangkat lunak PicoLog anu ngalengkepan.
Kaayaan réaksi sikloadisi fenilasetiléna sareng iodoetana dioptimalkeun (Skéma 1- Sikloadisi fenilasetiléna sareng iodoetana Skéma 1- Sikloadisi fenilasetiléna sareng iodoetana). Optimasi ieu dilakukeun ku pendekatan desain faktorial lengkep tina ékspérimén (DOE), nganggo suhu sareng waktos tinggal salaku parameter variabel, bari ngalereskeun babandingan alkuna:azida dina 1:2.
Larutan natrium azida (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), iodoetana (0,25 M, DMF), sareng feniletiléna (0,125 M, DMF) anu misah disiapkeun. Alikuot 1,5 mL tina unggal larutan dicampur sareng dipompa ngaliwatan réaktor dina laju aliran sareng suhu anu dipikahoyong. Réspon modél dicandak salaku babandingan daérah puncak produk triazol kana bahan awal feniletiléna sareng ditangtukeun ku kromatografi cair kinerja tinggi (HPLC). Pikeun konsistensi analisis, sadaya réaksi disampel pas saatos campuran réaksi ninggalkeun réaktor. Rentang parameter anu dipilih pikeun optimasi dipidangkeun dina Tabel 2.
Sadaya sampel dianalisis nganggo sistem Chromaster HPLC (VWR, PA, USA) anu diwangun ku pompa kuaterner, oven kolom, detektor UV panjang gelombang variabel sareng autosampler. Kolomna nyaéta Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), ukuran 4,6 × 100 mm, ukuran partikel 5 µm, dijaga dina suhu 40 °C. Pelarutna nyaéta metanol:cai 50:50 isokratik dina laju aliran 1,5 mL.min-1. Volume injeksi nyaéta 5 µL sareng panjang gelombang detektor nyaéta 254 nm. % daérah puncak pikeun sampel DOE diitung tina daérah puncak produk alkuna sareng triazol sésa hungkul. Injeksi bahan awal ngamungkinkeun idéntifikasi puncak anu relevan.
Ngahijikeun kaluaran analisis réaktor kana parangkat lunak MODDE DOE (Umetrics, Malmö, Swédia) ngamungkinkeun analisis anu lengkep ngeunaan tren hasil sareng nangtukeun kaayaan réaksi optimal pikeun sikloadisi ieu. Ngajalankeun pangoptimal anu diwangun sareng milih sadaya istilah modél anu penting ngahasilkeun sakumpulan kaayaan réaksi anu dirancang pikeun ngamaksimalkeun daérah puncak produk bari ngirangan daérah puncak pikeun bahan awal asetiléna.
Oksidasi tambaga permukaan dina rohangan réaksi katalitik kahontal nganggo larutan hidrogén péroksida (36%) anu ngalir ngaliwatan rohangan réaksi (laju aliran = 0,4 mL min-1, waktos tinggal = 2,5 mnt) sateuacan sintésis unggal pustaka sanyawa triazol.
Sakali sakumpulan kaayaan anu optimal diidentipikasi, éta diterapkeun kana rupa-rupa turunan asetiléna sareng haloalkana pikeun ngamungkinkeun kompilasi sintésis perpustakaan alit, sahingga ngadegkeun kamampuan pikeun nerapkeun kaayaan ieu kana rupa-rupa réagen poténsial anu langkung lega (Gambar 1).2).
Nyiapkeun larutan natrium azida (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), haloalkana (0,25 M, DMF) sareng alkuna (0,125 M, DMF) anu misah. 3 mL alikuot tina unggal larutan dicampur sareng dipompa ngaliwatan réaktor dina 75 µL.min-1 sareng 150 °C. Total volume dikumpulkeun kana vial sareng diéncérkeun ku 10 mL etil asetat. Larutan sampel dikumbah ku 3 × 10 mL cai. Lapisan cai digabungkeun sareng diekstrak ku 10 mL etil asetat; lapisan organik teras digabungkeun, dikumbah ku 3 x 10 mL cai asin, dikeringkeun dina MgSO4 sareng disaring, teras pangleyurna dipiceun dina vakum. Sampel dimurnikeun ku kromatografi kolom dina gel silika nganggo etil asetat sateuacan dianalisis ku kombinasi HPLC, 1H NMR, 13C NMR sareng spéktrométri massa résolusi luhur (HR-MS).
Sadaya spéktra diala nganggo spéktrométer massa résolusi Orbitrap presisi Thermofischer kalayan ESI salaku sumber ionisasi. Sadaya sampel disiapkeun nganggo asetonitril salaku pangleyur.
Analisis TLC dilaksanakeun dina pelat silika anu dibalikkeun ku aluminium. Pelat-pelat divisualisasikeun ku sinar UV (254 nm) atanapi pewarnaan vanilin sareng dipanaskeun.
Sadaya sampel dianalisis nganggo sistem VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Inggris) anu dilengkepan ku autosampler, pompa binér oven kolom, sareng detektor panjang gelombang tunggal. Kolom anu dianggo nyaéta ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Skotlandia).
Suntikan (5 µL) dilakukeun langsung tina campuran réaksi atah anu diéncérkeun (éncéran 1:10) sareng dianalisis nganggo cai: metanol (50:50 atanapi 70:30), kecuali pikeun sababaraha sampel anu nganggo sistem pangleyur 70:30 (dilambangkeun salaku nomer béntang) dina laju aliran 1,5 mL/mnt. Kolom dijaga dina suhu 40 °C. Panjang gelombang detektor nyaéta 254 nm.
% luas puncak sampel diitung tina luas puncak alkuna sésa, ngan ukur produk triazol, sareng suntikan bahan awal ngamungkinkeun idéntifikasi puncak anu relevan.
Sadaya sampel dianalisis nganggo Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Sadaya standar kalibrasi disiapkeun nganggo larutan standar Cu 1000 ppm dina asam nitrat 2% (SPEX Certi Prep). Sadaya standar disiapkeun dina larutan DMF 5% sareng HNO3 2%, sareng sadaya sampel diéncérkeun 20 kali lipat dina larutan DMF-HNO3 sampel.
UAM ngamangpaatkeun las logam ultrasonik salaku téknik beungkeutan pikeun bahan foil logam anu dianggo pikeun ngawangun rakitan ahir. Las logam ultrasonik ngamangpaatkeun alat logam anu ngageter (disebut tanduk atanapi tanduk ultrasonik) pikeun nerapkeun tekanan kana lapisan foil / lapisan anu sateuacanna dikonsolidasi pikeun dibeungkeut bari ngageterkeun bahan. Pikeun operasi kontinyu, sonotrode bentukna silinder sareng ngagulung dina permukaan bahan, ngabeungkeut sakumna daérah. Nalika tekanan sareng geter diterapkeun, oksida dina permukaan bahan tiasa retak. Tekanan sareng geter anu terus-terusan tiasa nyababkeun asperities bahan runtuh 36. Kontak intim sareng panas sareng tekanan anu diinduksi sacara lokal teras nyababkeun beungkeutan solid-state dina antarmuka bahan; éta ogé tiasa ngabantosan adhesi ngalangkungan parobahan énergi permukaan 48. Sifat mékanisme beungkeutan ngungkulan seueur masalah anu aya hubunganana sareng suhu lebur variabel sareng efek samping suhu luhur anu disebatkeun dina téknik manufaktur aditif anu sanés. Ieu ngamungkinkeun pikeun beungkeutan langsung (nyaéta, tanpa modifikasi permukaan, pangisi atanapi perekat) tina sababaraha lapisan bahan anu béda kana hiji struktur anu dikonsolidasi.
Faktor kadua anu nguntungkeun pikeun UAM nyaéta tingkat aliran plastik anu luhur anu dititénan dina bahan logam, bahkan dina suhu anu handap, nyaéta jauh di handap titik lebur bahan logam. Kombinasi osilasi ultrasonik sareng tekanan ngainduksi tingkat migrasi wates butir lokal sareng rekristalisasi anu luhur tanpa paningkatan suhu anu ageung anu sacara tradisional aya hubunganana sareng bahan curah. Salila konstruksi rakitan akhir, fénoména ieu tiasa dimanfaatkeun pikeun ngalebetkeun komponén aktif sareng pasif antara lapisan foil logam, lapisan demi lapisan. Unsur-unsur sapertos serat optik 49, tulangan 46, éléktronika 50, sareng termokopel (karya ieu) sadayana parantos suksés dipasang kana struktur UAM pikeun nyiptakeun rakitan komposit aktif sareng pasif.
Dina ieu panalungtikan, duanana kamungkinan beungkeutan bahan sareng interkalasi UAM parantos dianggo pikeun nyiptakeun mikroreaktor pangawas suhu katalitik pamungkas.
Dibandingkeun sareng paladium (Pd) sareng katalis logam anu umum dianggo, katalisis Cu ngagaduhan sababaraha kaunggulan: (i) Sacara ékonomis, Cu langkung mirah tibatan seueur logam sanés anu dianggo dina katalisis sareng ku kituna mangrupikeun pilihan anu pikaresepeun pikeun industri pangolahan kimia (ii) Rupa-rupa réaksi cross-coupling anu dikatalisis ku Cu ningkat sareng sigana rada ngalengkepan metodologi berbasis Pd51,52,53 (iii) Réaksi anu dikatalisis ku Cu tiasa dianggo kalayan saé tanpa ligan sanés, Ligan ieu sering sacara struktural saderhana sareng murah upami dipikahoyong, sedengkeun anu dianggo dina kimia Pd sering rumit, mahal, sareng sénsitip kana hawa (iv) Cu, khususna dikenal ku kamampuanna pikeun ngabeungkeut alkuna dina sintésis, Salaku conto, gandéngan Sonogashira anu dikatalisis ku bimetalik sareng sikloadisi sareng azida (kimia klik) (v)Cu ogé tiasa ngamajukeun arilasi sababaraha nukléofil dina réaksi tipe Ullmann.
Conto heterogenisasi sadaya réaksi ieu nembe dipidangkeun dina ayana Cu(0). Ieu seuseueurna disababkeun ku industri farmasi sareng fokus anu ningkat kana pamulihan sareng panggunaan deui katalis logam55,56.
Dipelopori ku Huisgen dina taun 1960-an57, réaksi sikloadisi 1,3-dipolar antara asetiléna sareng azida ka 1,2,3-triazol dianggap réaksi démo sinergis. Gugus 1,2,3 triazol anu dihasilkeun dipikaresep pisan salaku farmakofor dina widang panemuan ubar kusabab aplikasi biologisna sareng panggunaan dina rupa-rupa agén terapi 58.
Réaksi ieu jadi perhatian deui nalika Sharpless sareng anu sanésna ngenalkeun konsép "kimia klik"59. Istilah "kimia klik" dianggo pikeun ngagambarkeun sakumpulan réaksi anu kuat, tiasa dipercaya, sareng selektif pikeun sintésis gancang sanyawa énggal sareng perpustakaan kombinatorial via heteroatom linkage (CXC)60 Daya tarik sintétik tina réaksi ieu asalna tina hasil anu luhur, kaayaan réaksi saderhana, résistansi oksigén sareng cai, sareng pamisahan produk saderhana61.
Sikloadisi 1,3-dipol Huisgen klasik henteu kagolong kana kategori "kimia klik". Nanging, Medal sareng Sharpless nunjukkeun yén kajadian gandéngan azida-alkuna ieu ngalaman 107 dugi ka 108 dina ayana Cu(I) dibandingkeun sareng akselerasi laju anu signifikan tina sikloadisi 62,63-dipolar anu teu dikatalisis. Mékanisme réaksi anu ningkat ieu henteu meryogikeun gugus panyalindungan atanapi kaayaan réaksi anu kasar sareng ngahasilkeun konvérsi sareng selektivitas anu ampir lengkep kana 1,2,3-triazol anu disubstitusi 1,4 (anti-1,2,3-triazol) dina skala waktos (Gambar 3).
Hasil isometrik tina sikloadisi Huisgen konvensional sareng anu dikatalisis ku tambaga. Sikloadisi Huisgen anu dikatalisis ku Cu(I) ngan ukur ngahasilkeun 1,4-dissubstitusi 1,2,3-triazol, sedengkeun sikloadisi Huisgen anu diinduksi sacara termal biasana ngahasilkeun campuran 1,4- sareng 1,5-triazol 1:1 tina stéréoisomer azol.
Kaseueuran protokol ngalibatkeun réduksi sumber Cu(II) anu stabil, sapertos réduksi CuSO4 atanapi spésiés Cu(II)/Cu(0) digabungkeun sareng uyah natrium. Dibandingkeun sareng réaksi anu dikatalisis logam anu sanés, panggunaan Cu(I) ngagaduhan kaunggulan utama nyaéta murah sareng gampang diurus.
Panilitian panyiri kinétik sareng isotop ku Worrell et al. 65 nunjukkeun yén, dina kasus alkuna terminal, dua ékuivalén tambaga kalibet dina ngaktipkeun réaktivitas unggal molekul ka arah azida. Mékanisme anu diusulkeun lumangsung ngaliwatan cingcin logam tambaga genep anggota anu dibentuk ku koordinasi azida kana asetilida tambaga anu kabeungkeut σ sareng tambaga anu kabeungkeut π salaku ligan donor anu stabil. Turunan tambaga triazolil dibentuk ku panyusutan cingcin, dituturkeun ku dékomposisi proton pikeun nyayogikeun produk triazol sareng nutup siklus katalitik.
Sanaos mangpaat tina alat kimia aliran parantos didokumentasikeun kalayan saé, aya kahayang pikeun ngahijikeun alat analitis kana sistem ieu pikeun ngawaskeun prosés in-line, in-situ,66,67. UAM kabuktian janten metode anu cocog pikeun ngarancang sareng ngahasilkeun réaktor aliran 3D anu rumit pisan anu didamel tina bahan konduktif termal anu aktip sacara katalitik kalayan unsur sensing anu dipasang langsung (Gambar 4).
Réaktor aliran aluminium-tambaga anu didamel ku manufaktur aditif ultrasonik (UAM) kalayan struktur saluran internal anu rumit, termokopel anu dipasang, sareng ruang réaksi katalitik. Pikeun ngabayangkeun jalur cairan internal, prototipe transparan anu didamel nganggo stereolitografi ogé dipidangkeun.
Pikeun mastikeun réaktor dijieun pikeun réaksi organik ka hareup, pangleyur kedah dipanaskeun kalayan aman di luhur titik golak; éta diuji tekanan sareng suhu. Tés tekanan nunjukkeun yén sistem ngajaga tekanan anu stabil sareng konstan sanajan tekanan sistem ningkat (1,7 MPa). Tés hidrostatik dilakukeun dina suhu kamar nganggo H2O salaku cairan.
Nyambungkeun termokopel anu dipasang (Gambar 1) kana data logger suhu nunjukkeun yén termokopel éta 6 °C (± 1 °C) langkung tiis tibatan suhu anu diprogram dina sistem FlowSyn. Biasana, paningkatan suhu 10 °C nyababkeun laju réaksi dua kali lipat, janten bédana suhu ngan sababaraha derajat tiasa ngarobih laju réaksi sacara signifikan. Béda ieu disababkeun ku leungitna suhu di sakumna awak réaktor kusabab difusivitas termal anu luhur tina bahan anu dianggo dina prosés manufaktur. Hanyutan termal ieu konsisten sareng ku kituna tiasa dipertanggungjawabkeun dina setelan alat pikeun mastikeun suhu anu akurat kahontal sareng diukur salami réaksi. Ku alatan éta, alat pangawasan online ieu ngagampangkeun kontrol suhu réaksi anu ketat sareng ngagampangkeun optimasi prosés anu langkung akurat sareng pamekaran kaayaan optimal. Sénsor ieu ogé tiasa dianggo pikeun ngaidentipikasi éksotérmal réaksi sareng nyegah réaksi anu teu kaampeuh dina sistem skala ageung.
Réaktor anu dipidangkeun dina ieu karya mangrupikeun conto munggaran tina aplikasi téknologi UAM pikeun fabrikasi réaktor kimia sareng ngatasi sababaraha watesan utama anu ayeuna aya hubunganana sareng percetakan AM/3D alat-alat ieu, sapertos: (i) ngungkulan masalah anu dilaporkeun anu aya hubunganana sareng pamrosésan paduan tambaga atanapi aluminium (ii) résolusi saluran internal anu ningkat dibandingkeun sareng téknik fusi bubuk ranjang (PBF) sapertos peleburan laser selektif (SLM)25,69 Aliran bahan anu goréng sareng tékstur permukaan kasar26 (iii) Suhu pamrosésan anu dikirangan, anu ngagampangkeun beungkeutan langsung sénsor, anu henteu mungkin dina téknologi bubuk ranjang, (v) ngungkulan sipat mékanis anu goréng sareng sensitivitas komponén dumasar polimér kana rupa-rupa pangleyur organik umum17,19.
Fungsi réaktor ieu dipidangkeun ku runtuyan réaksi sikloadisi alkuna azida anu dikatalisis ku tambaga dina kaayaan aliran kontinyu (Gambar 2). Réaktor tambaga anu dicitak ultrasonik anu dirinci dina Gambar 4 diintegrasikeun sareng sistem aliran komérsial sareng dianggo pikeun nyintésis azida perpustakaan tina rupa-rupa 1,4-disubstitusi 1,2,3-triazol ngalangkungan réaksi anu dikontrol suhu asetiléna sareng gugus alkil halida dina ayana natrium klorida (Gambar 3). Panggunaan pendekatan aliran kontinyu ngirangan masalah kaamanan anu tiasa timbul dina prosés batch, sabab réaksi ieu ngahasilkeun antara azida anu réaktif pisan sareng bahaya [317], [318]. Mimitina, réaksi ieu dioptimalkeun pikeun sikloadisi fenilasetiléna sareng iodoetana (Skéma 1 - Sikloadisi fenilasetiléna sareng iodoetana) (tingali Gambar 5).
(Luhur kénca) Skéma setelan anu dianggo pikeun ngagabungkeun réaktor 3DP kana sistem aliran (luhur katuhu) anu diala dina skéma anu dioptimalkeun (handap) tina skéma sikloadisi Huisgen 57 antara fenilasetiléna sareng iodoétana pikeun optimasi sareng nunjukkeun laju konvérsi réaksi parameter anu dioptimalkeun.
Ku cara ngontrol waktos cicingna réagen dina bagian katalitik réaktor sareng ngawaskeun suhu réaksi sacara saksama nganggo probe termokopel anu terintegrasi langsung, kaayaan réaksi tiasa dioptimalkeun gancang sareng akurat kalayan waktos sareng konsumsi bahan anu minimal. Gancang ditangtukeun yén konvérsi pangluhurna diala nalika waktos cicing 15 menit sareng suhu réaksi 150 °C dianggo. Tina plot koefisien perangkat lunak MODDE, tiasa katingali yén waktos cicing sareng suhu réaksi dianggap istilah modél anu penting. Ngajalankeun optimizer bawaan nganggo istilah anu dipilih ieu ngahasilkeun sakumpulan kaayaan réaksi anu dirancang pikeun ngamaksimalkeun daérah puncak produk bari ngirangan daérah puncak bahan awal. Optimasi ieu ngahasilkeun konvérsi 53% tina produk triazol, anu cocog pisan sareng prediksi modél 54%.
Dumasar kana literatur anu nunjukkeun yén tambaga(I) oksida (Cu2O) tiasa bertindak salaku spésiés katalitik anu efektif dina permukaan tambaga nol-valén dina réaksi ieu, kamampuan pikeun ngaoksidasi permukaan réaktor sateuacan ngalaksanakeun réaksi dina aliran parantos ditalungtik70,71. Réaksi antara fenilasetiléna sareng iodoétana teras dilakukeun deui dina kaayaan optimal sareng hasilna dibandingkeun. Dititénan yén persiapan ieu nyababkeun paningkatan anu signifikan dina konvérsi bahan awal, anu diitung janten >99%. Nanging, pemantauan ku HPLC nunjukkeun yén konvérsi ieu sacara signifikan ngirangan waktos réaksi anu berkepanjangan teuing dugi ka sakitar 90 menit, dimana kagiatan éta sigana rata sareng ngahontal "kaayaan ajeg". Observasi ieu nunjukkeun yén sumber kagiatan katalitik diala tina oksida tambaga permukaan tinimbang substrat tambaga nol-valén. Logam Cu gampang dioksidasi dina suhu kamar pikeun ngabentuk CuO sareng Cu2O anu sanés lapisan anu ngajaga diri. Ieu ngaleungitkeun kabutuhan pikeun nambihan sumber tambaga(II) bantu pikeun ko-komposisi71.